特征构件疲劳裂纹扩展试验研究

　第26卷第10期　2007年10月

实验室研究与探索

RESE ARCH AND EXP LORATI O N I N LABORAT ORY

Vol .26No .10　

Oct .2007　

特征构件疲劳裂纹扩展试验研究

崔洪斌1

,　曲先强1

,　吕春雷1

,　马永亮1

,　张　杰1

,　王长利

2

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学材料学院,哈尔滨150001)

摘　要:由于高强度钢在疲劳断裂过程中很难产生辉纹,给裂纹扩展的研究带来一定的困难。本文在对

接焊平板的疲劳断裂试验中,采用降载勾线法制造出“海滩状花纹”,借此对裂纹扩展过程中裂纹前缘形状和裂纹扩展速率进行分析,并与Ne wman 2Raju 公式的计算结果进行比较。关键词:疲劳断裂试验;降载勾线;裂纹扩展

中图分类号:T B302文献标识码:A 文章编号:1006-7167(2007)10-0275-03

Fa ti gue C rack Gr ow th Te sts of Typ i ca l Components

CU I Hong 2bin 1

,　QU X ian 2qiang 1

,　LV Chun 2lei 1

,　MA Yong 2liang 1

,　ZHAN G J ie 1

,　WAN G Chang 2li

2

(1.College of shi pbuilding engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;

2.College of material science,Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )

Abstract:It is difficult for high strength steel t o p r oduce fatigue striati ons in the fracture p r ocess of fatigue,which brings difficulty f or the analysis of the appearance of the crack gr owth and fracture mouth analysis .A marking technique,in which the slightly s maller l oad was exerted on the s peci m ens t o p r oduce the beachmark,was adop ted in the p r ocess of fa 2tigue test .The mark was used t o define the appearance and the vel ocity of crack gr owth .The result of measure ment was compared with the calculating result using Ne wman 2Raju equati on .Key words:fatigue fracture test;marking technique;crack gr owth

CLC nu m ber:T B302 D ocu m en t code:A Arti cle I D :1006-7167(2007)10-0275-03

收稿日期:2007-05-11

1　引　言

随着高强度钢在工程结构中的广泛应用,高强度钢的疲劳性能越来越受到重视。由于疲劳断裂的复杂性和随机性,疲劳断裂试验仍然是研究疲劳断裂现象的重要手段,而常见的高强度钢疲劳试验中很难产生辉纹,这给裂纹扩展前缘形状和不同阶段裂纹扩展速率的研究带来一定的困难。

针对某结构中的表面裂纹扩展问题,设计了对接焊角度平板上表面裂纹扩展试验,试验中采用降载勾

线方法[123]

制造出“海滩状花纹(beach mark )”,从而对裂纹的扩展前缘形状和扩展速率进行研究,并给出一定的结论。

2　表面裂纹扩展试验

本试验在MTS810试验机上进行。采用两块160

×80×20的板材,经过对接焊焊接成夹角10°的带角度平板试样,经过探伤检测合格后,打磨光,在试件上的焊趾部位垂直于试件轴线用铣刀加工预制窄缺口。在试件的两端施加一定的轴向压力,使得预制缺口区

域产生压弯组合应力。由于试件不是标准试件[4]

,设计了特殊的夹具。夹具采用线切割的方式加工凹槽,并把凹槽的底部和试件的两端加工成同样曲率的圆弧,这样使得试件受力更均匀且不附加约束弯矩,同时试验过程比较安全。试验采用正弦波加载,加载频率1Hz 。用读数显微镜监测试件表面的裂纹扩展。在试件表面预制缺口与焊缝对称位置上粘贴应变片,通过应变仪来测量试件内外表面上的应力。试验装置如图1图2:

3　降载勾线法

由于看不到深度方向裂纹的扩展,对于平板上的

表面裂纹,只能对裂纹沿表面方向的扩展进行监测。而用读数显微镜观察表面裂纹时,不方便确定裂纹尖

图1　

试验装置

图2　试件夹具安装示意图

端的位置,这给读数带来一定的困难。由于制造此构件所采用的材料的强度高,在进行疲劳试验时很难观察到疲劳辉纹,难以确定裂纹扩展过程中的前缘形状,给结果的分析增加了难度。

试验采用降载勾线的方法,即在等幅疲劳疲劳裂纹扩展中,先以试验载荷循环一定次数后,估计裂纹已经扩展,使试件所受到的压应力的均值保持不变,幅值减小到原来应力幅值的一半,继续循环若干次数。依据经验判断裂纹稍扩展约011mm ,重新将载荷升回到试验载荷,至此即完成一次勾线,如此循环,直至试件断裂,在试件上就可看到清晰的疲劳裂纹扩展痕迹,即“海滩状花纹”。如图3所示

。

图3　降载勾线法产生的“海滩状花纹”

4　断口分析

断口上勾线的测量采用间接测量的方法。先用相

机拍摄断口照片(含有标尺),导入CAD 软件里。标

注并测量长度,通过一定的比例换算得到实际的测量

值。由于软件的测量结果可以精确到小数点几位,并可放大标注。这样可以减小在实际断口上测量引起的误差,并且对断口没有破坏作用。测量结果见表1。

表1　断口上“海滩状花样”的测量结果

第一条勾线

第二条勾线

第三条勾线

a /mm 4.500176 6.3646797.43454c /mm

9.241975

11.92104

14.30088

Ne wman &Raju 提出表面裂纹沿深度方向和长度

方向扩展遵循如下规律,用Paris 公式表示为[5]

:

d a d N

=C A (ΔK A )m

d c d N

=C C (ΔK C )m

C C =019m

C A

(1)对于有限尺寸平板上的半椭圆形表面裂纹应力强度因子的计算,一般认为Ne wman 2Raju 公式是比较好

的经验公式[6]

。表示如下:

K 1=(σ0+H

σb )πa

<

F a c ,a t ,2c w

,φ(2)

采用以上公式编写了利用迭代方法计算的For 2

tran 程序,假定a 的扩展增量为010001mm ,计算需要的载荷循环次数,并用得到的载荷循环次数计算c 的扩展增量,以此来模拟表面椭圆形裂纹的形状。计算结果和实际断口采用降载勾线法得到的“海滩状花样”的测量数据进行比较。结果见表2。

表2　计算结果与试验结果比较

计算结果

测量

误差

a /mm

c /mm

N

c /mm

N

c /%

N /%

7.43454613.5128714771.2214.30088177045.5102216.565636.36470511.479529079.85411.92104

10033

3.7037049.50011

5　结　语

降载勾线法对高强度钢的疲劳裂纹扩展的试验研究有着重要意义,通过降载勾线法,可以成功的在高强度钢上制造出“海滩状花纹”,如图2所示。通过对该花纹的研究,可以清楚的发现疲劳裂纹扩展过程中的裂纹前缘形状,计算不同阶段的裂纹扩展速率。对试件上的表面裂纹进行裂纹扩展分析可以发现,利用“海滩状花纹”进行的分析具有较高的准确度,可以用于疲劳裂纹扩展试验数据的整理。

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